郝志浪，衛(wèi)保國

（陜西省信息獲取與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072）

隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代飛機(jī)的航電系統(tǒng)正朝著綜合化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。航電全雙工交換式以太網(wǎng) （簡稱AFDX）是承載航空電子系統(tǒng)各分系統(tǒng)通信的主干網(wǎng)絡(luò)，已廣泛應(yīng)用于當(dāng)前最先進(jìn)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)。當(dāng)飛機(jī)內(nèi)部某端系統(tǒng)報(bào)故時(shí)，很難判斷是該終端系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，還是該終端系統(tǒng)與AFDX總線之間沒有實(shí)現(xiàn)正確的信息交換，排故難度較大。故研制了能實(shí)時(shí)采集、分析處理飛機(jī)總線動態(tài)信息的監(jiān)控器，以實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確隔離，避免機(jī)載設(shè)備的無故障拆裝。

1 AFDX總線

傳統(tǒng)航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信主要采用ARINC429以及MIL-STD-1553等協(xié)議，這些數(shù)據(jù)通信協(xié)議具有可靠性高、通信質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，在當(dāng)代航空通信領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但是ARINC429以及MIL-STD-1553數(shù)據(jù)傳輸速率低，MIL-STD-1553協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s，ARINC429更低。因此，它們只適用于自身具有數(shù)據(jù)處理能力的傳感器子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，不能滿足下一代航空電子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信的要求。AFDX定義了電氣和協(xié)議規(guī)范 （IEEE 802.3和ARINC 664），是一個(gè)數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)[1]，主要用于航空電子子系統(tǒng)之間的通信。同過去的航電總線ARINC 429，MIL-STD-1553等協(xié)議相比，AFDX網(wǎng)絡(luò)性能有了很大的提高，能夠滿足航空電子系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、良好的通信質(zhì)量等要求。

AFDX是建立在由空中乘客公司最早提出的AFDX概念之上，其由航空電子子系統(tǒng)、AFDX端節(jié)點(diǎn)和AFDX互聯(lián)器等幾部分[2]組成，如圖1所示。AFDX在配置表中定義各終端節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，采用全雙工模式通信，其物理層的傳輸介質(zhì)是兩對雙絞線，一對用于接收，另一對用于發(fā)送；網(wǎng)絡(luò)連接采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)交換機(jī)最多連接24個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，交換機(jī)可以級連以實(shí)現(xiàn)更大的規(guī)模，采用點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，通過虛鏈接保證帶寬，采用冗余調(diào)度，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，傳輸速度可選擇10 Mb/s或100 Mb/s，支持的虛鏈接數(shù)目最大為4 096[3]。

圖1 AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖Fig.1 Net of AFDX system

2 系統(tǒng)功能

AFDX總線監(jiān)控器作為航空電子的一個(gè)子系統(tǒng)，其作用為對AFDX總線的通訊狀態(tài)及通訊過程、指定分系統(tǒng)傳輸?shù)娜我鈹?shù)據(jù)塊和數(shù)據(jù)字進(jìn)行監(jiān)控，并能夠記錄。可以根據(jù)要求對監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，打印輸出測試結(jié)果。AFDX總線監(jiān)控器還可以完成總線傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)，如總線負(fù)載與通信狀態(tài)等的計(jì)算和分析，并能夠動態(tài)的統(tǒng)計(jì)顯示出來。測試節(jié)點(diǎn)邏輯位置如圖2所示。

圖2 AFDX總線測試節(jié)點(diǎn)邏輯位置Fig.2 Logical location of the AFDX bus test node

2.1 總線數(shù)據(jù)監(jiān)控

AFDX總線信號為32位信號幀。按照數(shù)據(jù)塊-信號字形式組織。不同的數(shù)據(jù)塊通過端口號的不同區(qū)分?？偩€監(jiān)控器對指定端口傳輸?shù)娜我鈹?shù)據(jù)塊進(jìn)行監(jiān)控，也可以監(jiān)控總線通訊狀態(tài)。它在監(jiān)控AFDX總線數(shù)據(jù)的同時(shí)，根據(jù)航電仿真系統(tǒng)的ICD來解析各個(gè)仿真系統(tǒng)的物理量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)還可以進(jìn)行總線傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)計(jì)算和分析，利用表格或是曲線的形式顯示。

2.2 數(shù)據(jù)記錄

總線監(jiān)控器可以將AFDX總線上的數(shù)據(jù)按各個(gè)端口進(jìn)行具體分類，進(jìn)行記錄存儲。同時(shí)也可以對試驗(yàn)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、打印、檢索、加載等操作。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析包括實(shí)時(shí)和事后兩種分析模式：實(shí)時(shí)分析就是通過對比標(biāo)準(zhǔn)ICD庫里面解析出來的數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定總線通信的故障；事后分析就是接收總線上某個(gè)端口的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)記錄模塊存儲，人為進(jìn)行比對，通過預(yù)設(shè)故障表進(jìn)行故障狀態(tài)查詢和故障原因分析。

2.4 數(shù)據(jù)解析

總線監(jiān)控器中ICD數(shù)據(jù)庫管理模塊和總線監(jiān)控模塊是獨(dú)立的，通過XML文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對于數(shù)據(jù)塊和信號的增加和刪除是通過修改ICD中的物理量，與兩個(gè)軟件都是同步的。因此在數(shù)據(jù)監(jiān)控或存儲時(shí)可以根據(jù)ICD文件，將接收到的有關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理量。

2.5 故障模擬仿真

在仿真試驗(yàn)中，制定了AFDX總線通訊的故障狀態(tài)表，在數(shù)據(jù)監(jiān)控或加載案例時(shí)，可以人為的進(jìn)行故障注入，看總線監(jiān)控器是否故障告警，進(jìn)一步進(jìn)行故障狀態(tài)查詢和故障原因分析。

2.6 系統(tǒng)的擴(kuò)展性

ICD數(shù)據(jù)庫管理模塊具有較好的開放性和擴(kuò)展性，在修改了具體的ICD文件之后，可以在其它航電系統(tǒng)的AFDX總線上得到應(yīng)用。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的組成

監(jiān)控系統(tǒng)硬件環(huán)境由操作計(jì)算機(jī)、航電模擬計(jì)算機(jī)和帶有AFDX板卡的便攜式計(jì)算機(jī)構(gòu)成。所有計(jì)算機(jī)均安裝Windows XP操作系統(tǒng)，是否安裝VS2008不做要求。軟件以交互式仿真開發(fā)環(huán)境為核心，將仿真建模、設(shè)備自檢、記錄存儲和分析解析等功能融為一體。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

AFDX總線作為一種新型適合機(jī)載環(huán)境的信息傳輸總線，以其成本低、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、技術(shù)完備等顯著優(yōu)勢在民航飛機(jī)的航電系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用，是未來大型飛機(jī)航電總線的發(fā)展趨勢。

本系統(tǒng)采用GE公司的AFDX板卡實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的監(jiān)控工作。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件部分是系統(tǒng)的核心，其目的是以簡便的界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作，并通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲顯示和ICD解析3個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。仿真環(huán)境采用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行設(shè)計(jì)，在WindowsXP環(huán)境下，用C++和Labview聯(lián)合開發(fā)。

總線監(jiān)控器的軟件分為：總線數(shù)據(jù)接收、ICD解析和模擬顯示部分。軟件流程圖如圖3所示。

3.2.1 總線數(shù)據(jù)接收

該部分內(nèi)容比較多，包括加載配置文件、板卡初始化、創(chuàng)建通信端口、啟動接收線程、監(jiān)聽多個(gè)通信端口等。參考GE公司提供的板卡用戶手冊，在動態(tài)鏈接庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行了板卡驅(qū)動程序的初始化，根據(jù)具體需求配置XML文件，創(chuàng)建通信端口的目的是為了將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到Labview設(shè)計(jì)的控制面板上，方便用戶操作控制。

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 System Flowchart

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，總線監(jiān)控器完成系統(tǒng)模式選擇、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)解析和總線數(shù)據(jù)故障狀態(tài)分析等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)，軟件功能如圖4所示。

圖4 監(jiān)控器功能模塊Fig.4 Monitor functional modules

1）系統(tǒng)模式選擇

測試節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的版本具有兩種工作模式：本地模式和遠(yuǎn)程模式。在本地模式下直接接受試驗(yàn)人員在測試節(jié)點(diǎn)的操作指令；在遠(yuǎn)程模式下屏蔽本地操作指令只接受遠(yuǎn)程操作指令，根據(jù)遠(yuǎn)程指令操作，同時(shí)將操作結(jié)果發(fā)往遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)顯示更新。

2）系統(tǒng)初始化

硬件初始化主要是進(jìn)行AFDX板卡配置、寄存器的初始化、配置文件的加載；軟件初始化主要完成數(shù)據(jù)接口定義、數(shù)據(jù)文件配置等。

3）數(shù)據(jù)監(jiān)控程序

該模塊主要功能是對接收到的有關(guān)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行實(shí)時(shí)分類并解析，完成信息的實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)的存儲?？偩€監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上讀取數(shù)據(jù)，從一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)塊開始，用幀檢驗(yàn)序列檢查以太網(wǎng)幀的正確性。如果沒有錯(cuò)誤的話，去掉FCS并將AFDX數(shù)據(jù)塊進(jìn)行下一步的完整性檢查和冗余管理。產(chǎn)生的IP包傳送至IP網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)檢查IP校驗(yàn)，如果必要的話將UDP包進(jìn)行組裝。UDP包傳送到UDP傳輸層以便將AFDX消息分發(fā)到合適的UDP端口，根據(jù)配置文件從端口中讀取要監(jiān)控的數(shù)據(jù)。

端系統(tǒng)對總線的通信性能起決定性作用，考慮到端系統(tǒng)嚴(yán)格遵循ARINC 664 Paa7規(guī)定，因此數(shù)據(jù)總線監(jiān)控部分應(yīng)該對端系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。主要包括虛擬鏈路（VL）幀格式檢測、虛擬鏈路BAG測試、虛擬鏈路抖動測試[4-6]。

4）數(shù)據(jù)記錄

總線上采到的數(shù)據(jù)可以全部存儲，也可以指定某些參數(shù)的測試結(jié)果進(jìn)行存儲。系統(tǒng)允許根據(jù)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間、端口號、數(shù)據(jù)塊名稱、錯(cuò)誤信息等條件篩選部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到指定文件。

5）數(shù)據(jù)回放

總線監(jiān)控器在接收到AFDX總線數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和存儲工作。本模塊是在事后選擇數(shù)據(jù)回放模式時(shí)，從存儲文件里讀取數(shù)據(jù)，重新回放系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)流信息，觀察分析總線數(shù)據(jù)、總線狀態(tài)以及機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

3.2.2 ICD解析

ICD數(shù)據(jù)庫管理模塊是一個(gè)獨(dú)立的軟件，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了管理節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)通過XML文件與其對接，完成數(shù)據(jù)解析。當(dāng)總線ICD庫數(shù)據(jù)發(fā)生更改時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)通過自動關(guān)聯(lián)模塊跟隨ICD庫變化?？梢噪S時(shí)根據(jù)一個(gè)或多個(gè)塊號，從ICD數(shù)據(jù)庫中解析出所有信號的邏輯含義。采到數(shù)據(jù)時(shí)可以自動依照邏輯含義進(jìn)行翻譯處理，并將結(jié)果顯示出來。

3.2.3 模擬顯示

采用TCP/IP通信方式進(jìn)行Labview程序與AFDX總線之間的數(shù)據(jù)交互。Labview設(shè)計(jì)開發(fā)操作面板，數(shù)據(jù)采集卡和LDU控制卡均提供了輸入輸出接口，便于程序開發(fā)，同時(shí)可以便捷的調(diào)用各種儀表控件，用戶可以方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、控制仿真進(jìn)程并觀察數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

該設(shè)備為解決某型飛機(jī)航電系統(tǒng)維護(hù)過程中的排故難題，具有AFDX總線信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲、分析及顯示功能，解決了飛機(jī)航電設(shè)備和總線故障快速識別與隔離的難題。經(jīng)過實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)，該監(jiān)控器性能穩(wěn)定可靠，操作簡便，可應(yīng)用于飛機(jī)航電系統(tǒng)研制、調(diào)試和維護(hù)過程中，通過擴(kuò)展和升級ICD數(shù)據(jù)庫，可廣泛應(yīng)用于其它型號飛機(jī)的維護(hù)保障。

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